在20世纪60年代和70年代，实验粒子物理学家利用越来越大的探测器发现了越来越多的粒子。对物理学家来说，这是一个黄金时代，但庞大的粒子家族太过复杂，让他们倍感困惑。这个混沌的世界中是否存在秩序？

混沌中的秩序：统一粒子

事实证明，这里有秩序。物理学家最终意识到，只有少量的基本粒子整整齐齐地被纳入这个家族，形成了今天所谓的粒子物理学标准模型。他们在探测器中看到的其他粒子都是由标准模型粒子构成的复合体。这样一来，人们甚至能够预测到更多粒子的存在——虽然以前人们在探测器中没有看到过这些粒子，但它们一定是存在的。他们的发现（比如由三个上夸克组成的Ω2+）是粒子物理学的巨大成功。

更多的秩序：统一四种力之中的三种

接下来我们要说的比标准模型更有秩序，那就是似乎支配着所有物质之间相互作用的四种基本力：弱力、强力、电磁力和引力。然而，相关实验在越来越高的能量条件下进行，其中两种力——电磁力和弱力也似乎变得越来越相似了。事实上，计算表明，到了一定程度，二者就会融为一种力，这就是所谓的“电弱统一”。上一次宇宙中的能量密度高到这种程度的时候还是宇宙大爆炸后不久。如今虽然电磁力和弱力似乎彼此不同、各自独立，但它们其实就像一枚硬币的两个面。

强力的情况似乎差不多。在非常高的能量下（远远超出了我们目前拥有的任何加速器的能量极限），它似乎变得与电弱力十分相像。二者在所谓的“大统一”时期结合在一起——“大统一”即大爆炸之后很快就出现的阶段，而大爆炸则似乎已经是公认的用来描述宇宙之诞生这一艺术的理论（不过，精确的大统一理论数学公式仍在研究中）。

自从知道了这一点，粒子物理学家们就梦想着有一天能找到一种方法，用一个统一的框架来描述所有的物质和全部四种力——甚至引力。这就是所谓的“万有理论”。这个想法确实非常吸引人。目前，我们离理解这一理论的原理还非常遥远，因为我们甚至没有办法描述基本粒子之间的引力相互作用。

万有理论？

但是，到了20世纪70年代末80年代初，关于该理论的研究似乎出现了一线曙光：理论物理学家在尝试描述胶子沿两个夸克间的线相互作用的公式时，发现了一些有趣的情况。如果人们不把粒子视为（量子）点，而是将其视为扩展对象，更准确地说是线，那么就会产生许多有趣的结果！

首先，这些量子线可以闭合起来，形成小小的圆环，也可以开放，飞来飞去，晃动着开放的那端。此外，它们可以也一定会振**，以各种不同的频率振**。正是因为这一点，它们就被理所当然地被称为“弦”。

所有的基本粒子都可视为弦？

这件事本身确实有趣，但它与四大基本力的统一有什么关系呢？答案很简单：不同的弦振**对应不同类型的基本粒子！

琴弦能以不同的方式振动，而每一种振动模式（要继续以音乐打比方，此处可以描述为“琴弦上每一个可弹奏的音符”）都会让琴弦有不同的表现。根据实际的频率，弦的振动可以像是电子或光子引起的，也可以像是标准粒子模型中的其他粒子之一引起的。更妙的是：某种振**会让弦变成自旋为2的无质量粒子，这与人们预想的引力子（一种参与引力相互作用的假想交换玻色子）完全一样。所以，弦理论不仅表明宇宙中所有粒子均由振动方式不同的、微小的弦组成，还能统一地描述全部四种力。万有理论的明星候选者诞生了！

弦理论费曼图：总之漂亮多了！

把基本粒子视为（一维）弦而非（零维）点还有一个好处。这样一来费曼图的表现要好得多！标准模型的费曼图描述了基本粒子之间不同的相互作用。粒子发生相互作用前被描绘成一道直线之后的数条线。发生相互作用后，这些粒子会分裂成若干新的粒子，向不同的方向疾速飞去。为了计算这种过程发生的概率，我们需要对复杂的公式求值；如果我们不认真计算，有可能会得出概率“无穷大”这样的答案。

根据弦理论画出的费曼图看起来截然不同。因为在费曼图中，时间参数是由左至右延伸的，随时间运动的一根闭合的弦看起来就像一根晃动的管子。一根弦发生一次相互作用（例如，一根弦分裂为两根弦）就像一条变形虫分裂成两条。反映在相应的费曼图上，就是一根管子从右侧进来，分裂成两根管子，再从左侧离开。

正是因为弦的费曼图中，弦没有被硬性地“掐断”，所以相应公式的表现比点粒子的公式好很多。一个粒子分裂成许多粒子的那个点正是公式变得相当复杂的地方；然而，该点反映在弦的图上是一个光滑的表面。这些公式的表现也要好得多，不会经常得出“无穷大”的结果！

可以说，弦理论的确是一个非常有前景的诱人课题。它可能提供一个以统一的方式描述所有物质和力的“万有理论”吗？不幸的是，弦理论的研究之路并非满是玫瑰与阳光，也有一些问题破坏了其中的乐趣。其中部分问题我们将在另一节中探讨。